Sebuah teknik untuk mengatasi putaran elektronik dan nuklir individu dalam kristal berlian telah dikembangkan oleh para peneliti di Jepang. Skema ini menggabungkan proses optik dan gelombang mikro dan dapat mengarah pada penciptaan sistem skala besar untuk penyimpanan dan pemrosesan informasi kuantum.
Putaran elektronik dan nuklir di beberapa kristal solid-state adalah platform yang menjanjikan untuk komputer dan memori kuantum skala besar. Putaran ini berinteraksi lemah dengan lingkungan lokal mereka pada suhu kamar, yang berarti bahwa mereka dapat beroperasi sebagai bit kuantum (qubit) yang menyimpan informasi kuantum untuk waktu yang sangat lama. Selanjutnya, putaran tersebut dapat dikontrol tanpa kerugian yang signifikan. Biasanya, putaran merespons cahaya optik dan gelombang mikro. Cahaya optik baik untuk presisi spasial dalam menangani putaran individu karena panjang gelombangnya yang lebih pendek. Gelombang mikro yang lebih panjang, di sisi lain, memberikan kontrol kesetiaan yang lebih tinggi dari semua putaran dalam kristal tanpa resolusi spasial.
Sekarang, Hideo Kosaka dan rekan di Universitas Nasional Yokohama di Jepang telah mengembangkan cara untuk mengatasi putaran individu yang menggabungkan kekuatan kontrol optik dan gelombang mikro. Mereka menggunakan gelombang mikro untuk mengontrol putaran individu dalam berlian dengan "menyoroti" mereka secara tepat menggunakan cahaya optik. Mereka mendemonstrasikan operasi selektif situs untuk pemrosesan informasi dan menghasilkan keterikatan antara putaran elektronik dan nuklir untuk transfer informasi.
Pusat Diamond NV
Untuk putarannya, tim menggunakan pusat nitrogen-vacancy (NV) dalam kristal berlian. Ini terjadi ketika dua atom karbon tetangga dalam kisi berlian diganti dengan atom nitrogen dan situs kosong. Keadaan dasar pusat NV adalah sistem elektronik spin-1 yang dapat digunakan sebagai qubit untuk mengkodekan informasi.
Untuk melakukan komputasi, seseorang harus dapat mengubah status putaran qubit secara terkendali. Untuk satu qubit, cukup memiliki satu set empat operasi utama untuk melakukan ini. Ini adalah operasi identitas dan gerbang Pauli X, Y, Z, yang memutar keadaan di sekitar tiga sumbu bola Bloch.
Gerbang holonomik universal
Operasi ini dapat diimplementasikan dengan menggunakan evolusi dinamis, di mana sistem dua tingkat didorong oleh medan pada atau mendekati resonansi dengan transisi untuk "memutar" qubit ke keadaan yang diinginkan. Cara lain adalah dengan menerapkan gerbang holonomik, di mana fase keadaan dalam basis yang lebih besar diubah sehingga memiliki efek gerbang yang diinginkan pada subruang qubit dua tingkat. Dibandingkan dengan evolusi dinamis, metode ini dianggap lebih kuat untuk mekanisme dekoherensi karena fase yang diperoleh tidak bergantung pada jalur evolusi yang tepat dari keadaan yang lebih besar.
Dalam penelitian terbaru ini, Kosaka dan rekannya pertama kali mendemonstrasikan selektivitas lokasi dari teknik mereka dengan memfokuskan laser pada pusat NV tertentu. Ini mengubah frekuensi transisi di situs itu sehingga tidak ada situs lain yang merespons ketika seluruh sistem digerakkan oleh gelombang mikro pada frekuensi yang tepat. Dengan menggunakan teknik ini, tim mampu menyoroti daerah beberapa ratus nanometer, daripada daerah yang jauh lebih besar yang diterangi oleh gelombang mikro.
Dengan memilih situs dengan cara ini, para peneliti menunjukkan bahwa mereka dapat mengimplementasikan operasi gerbang holonomik Pauli-X, Y dan Z dengan ketepatan yang baik (lebih dari 90%). Fidelitas gerbang adalah ukuran seberapa dekat kinerja gerbang yang diimplementasikan dengan gerbang ideal. Mereka menggunakan pulsa gelombang mikro yang membalik fase di antaranya yang membuat protokol kuat terhadap ketidakseragaman daya. Mereka juga menunjukkan bahwa waktu koherensi putaran sekitar 3 ms dipertahankan bahkan setelah operasi gerbang yang membutuhkan waktu yang sebanding.
Memori dan jaringan kuantum
Selain status putaran elektronik, pusat-NV juga memiliki status putaran nuklir yang dapat diakses yang terkait dengan nukleus nitrogen. Bahkan pada suhu kamar, keadaan ini berumur sangat panjang karena isolasi mereka dari lingkungan. Akibatnya, keadaan spin nuklir pusat-NV dapat digunakan sebagai memori kuantum untuk penyimpanan informasi kuantum untuk waktu yang lama. Ini tidak seperti qubit berdasarkan sirkuit superkonduktor, yang harus berada pada suhu di bawah milikelvin untuk mengatasi kebisingan termal dan lebih rentan terhadap dekoherensi yang disebabkan oleh interaksi dengan lingkungan.
Sensor berlian resolusi tinggi memetakan arus listrik di jantung
Kosaka dan rekan juga mampu menghasilkan keterjeratan antara putaran elektronik dan putaran nuklir di pusat NV. Hal ini memungkinkan transfer informasi kuantum dari foton insiden ke spin elektronik pusat NV dan kemudian ke memori kuantum spin nuklir. Kemampuan seperti itu sangat penting untuk pemrosesan terdistribusi di mana foton dapat digunakan untuk mentransfer informasi antara qubit dalam sistem yang sama atau berbeda dalam jaringan kuantum.
Menulis di Nature Photonics, para peneliti mengatakan bahwa dengan modifikasi pada proses pengalamatan optik mereka, seharusnya dimungkinkan untuk meningkatkan resolusi spasialnya dan juga memanfaatkan interaksi yang koheren antara beberapa pusat NV. Menggabungkan beberapa teknik berbeda dapat memungkinkan “akses selektif ke lebih dari 10,000 qubit dalam 10 × 10 × 10 m3 volume, membuka jalan menuju penyimpanan kuantum skala besar”. Kosaka mengatakan bahwa kelompoknya sekarang sedang mengerjakan tugas yang menantang untuk membuat dua gerbang qubit menggunakan dua pusat NV terdekat.
